超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置及提浓方法

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1.本发明属于煤矿钻孔瓦斯抽采强化技术领域，尤其涉及一种超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置及提浓方法。

背景技术：

2.煤炭作为我国的能源消费结构的主力军，随着开采深度的不端增加，煤矿安全生产面临着更加严峻挑战。尤其瓦斯更是作为五大灾害之首，不仅影响安全生产，而且是一种重要能源。针对我国目前的瓦斯抽采现状，对于煤层主要采用钻孔抽采，针对于钻孔抽采这种方法，就需要对开挖煤层透气性有较高要求，尤其是对于瓦斯这种危险气体来说在井下显得尤为重要。因此，煤层井下增透技术的发展对于深层煤矿开采显得尤为重要。
3.目前存在的技术有水力压裂增透方法、水力割缝增透方法、气体爆炸增透方法、松动爆破增透方法、水力冲孔增透方法以及超声激励增透方法等。最普遍的为液态co2发生气爆在极短时间内发生相变(由液态转化为气态，体积增大600倍)，产生应力波向周围传播，应力波和高能气体一方面使煤体产生新的裂隙，成本低，操作简便。但是其方法具有一次性爆破的特点，所造成的破坏范围有限，产生的裂隙长度小，需要多次钻孔，造成了施工的不便性；同时在钻孔内产生高压气爆会造成“飞管”现象，致裂效果差，而且由于钻孔内涌入大量气态co2，尽管煤层对co2的吸附大于瓦斯，但是仍会造成有限空间内co2超限的问题。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置及提浓方法，以解决上述背景技术中提出的问题。通过采用保护层开采原理为基础，先开采一条补偿空间，以便后期一次和二次冲击下改变地应力，使得裂隙无法在煤层应力作用下闭合。超声激励增透技术是一种不受煤储层地质条件和气源特征限制，而且具有很好的耦合性和推动性。因此采用超声波在气爆完成后，利用超声波与气爆耦合，促进波峰延长，增大破坏范围与裂隙长度，解决了气爆致裂破坏范围有限、裂隙长度小的问题；同时利用煤层对co2的吸附能力大于瓦斯的原理并结合超声波的激励作用来驱替出瓦斯，同时让co2在二次冲击作用下更高效被煤层吸附，解决了煤层co2超限问题；由于co2被吸附，瓦斯则通过裂隙在超声波和腔体压力差的作用下涌出代替co2空间，此时由于本装置采用抽采管与致裂管位于一个钻孔中，即可直接抽采解析出来的瓦斯并通过提浓装置过滤多余co2和煤层颗粒等杂质，从而达到了压抽一体化的增透方法，通过边冲击解析边抽采一体化方式，利于瓦斯快速抽采也使co2吸附，进一步解决了co2超限问题，同时提出了一种新型止飞器解决了“飞管”问题。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置，包括位于增透钻孔内的液态co2致裂系统、提浓抽采系统和超声波二次冲击系统，增透钻孔位于煤层内，煤层顶板和增透钻孔之间设有一条补偿空间，补偿空间的长度大于增透钻孔的深度，增透钻孔底部设有
煤层底板。
6.进一步的，所述液态co2致裂系统包括液态co2致裂管，位于致裂管顶部的压裂片，通过改变压裂片可以更改压力大小，还包括位于致裂管内部的液态co2，所述致裂管端口由膨胀式封孔器封闭，膨胀式封孔器内侧设有加热头和单向注入口，单向注入口可以防止逆流，单向注入口外侧通过高压胶管和快速接头与液态co2装载车上的液态co2储罐出口联通，所述加热头通过导线与加热控制器电连接。
7.进一步的，所述提浓抽采系统包括抽采管和位于抽采管内的提浓机构，所述抽采管顶端封闭，抽采管中部外壁上设有贯通的抽采孔，所述提浓机构包括喇叭状单向导流器，所述单向导流器大口与抽采孔联通，所述单向导流器为两个且对称设置，两个单向导流器小口分别与t形风道进风口联通，t形风道出风口处设有涡轮叶片，所述抽采管内t形风道出风口处依次设有co2过滤器和可抽出式杂质过滤器，抽采管端部还设有抽采传输管，所述抽采传输管上依次设有抽采泵、流量检测器和瓦斯收集装置，单向导流器进入的气体促进涡轮叶片旋转，形成漩涡流更快更方便进行提纯，co2过滤器主要为碱性溶剂，可吸附多余co2，同时许多冲击造成的煤层细颗粒可被杂质过滤器筛选，并在抽采完毕后抽出回收。
8.进一步的，所述超声波二次冲击系统包括位于抽采管顶部的超声波换能器，所述超声波换能器通过第一法兰和第一安装座固定连接，第一安装座位于抽采管顶部，抽采管内还设有传感器，超声波换能器和传感器电连接，传感器通过1#电缆线与显示器连接，显示器与超声波控制器电连接，超声波控制器与超声波发生器连接，超声波发生器通过2#电缆线与超声波换能器连接。
9.进一步的，所述致裂管外壁和抽采管外壁均设有止飞器，且致裂管和抽采管端口与增透钻孔之间均通过膨胀式封孔器密封固定，膨胀式封孔器外端设有膨胀袋，里面装有聚氨酯材料，可随时控制材料的含量，在抽采作业时，通过装填聚氨酯可以起到迅速膨胀固定于抽采口中，在回收抽采管时，只需取出聚氨酯材料，封口时可添加水泥进行封口。
10.进一步的，所述止飞器包括第二安装座，第二安装座通过第二法兰与致裂管外壁或抽采管外壁固定连接，第二安装座顶部设有一块与其垂直的透压板，透压板底部设有一组弹簧，弹簧另一端与可滑动阻压器固定连接，第二安装座中下部固设有一块具有斜面的锥体，可滑动阻压器为具有缺口的立方体，其缺口面贴于锥体顶部且沿着锥体斜面可滑动连接，弹簧拉动由大摩擦力制成的阻压器，压力波通过透压板对阻压器进行冲击，通过压力波冲击使得阻压器沿着锥体滑动，然后挤入钻孔中通过产生摩擦力减少轴向应力，冲击完毕后，弹簧将阻压器拉回原位便于后续回收致裂管。
11.进一步的，所述致裂管端部还设有一根安全绳，所述安全绳通过膨胀式封孔器压入致裂管内，安全绳可以方便收放压裂系统。
12.一种超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置的提浓方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，根据应力情况到低瓦斯低应力的煤层，人工预先开钻一条补偿空间，同时对煤层进行布置增透钻孔，将致裂系统和抽采系统置入孔中，并用膨胀式封口器进行封口，为后续冲击做好准备；第二步，将高压胶管通过快速接头将单向注入口和液态co2装载车连接，通过液态co2装载车向液态co2致裂装置注入液态co2，利用加热控制器使加热头释放大量热量，液态
co2受热膨胀发生相变致裂产生气爆，造成600倍高压冲破压裂片释放到增透孔中，大量气态co2在增透孔中产生冲击波，使得近距离范围内煤层出现裂隙，此时止飞器发挥作用，阻止抽采管和致裂管飞出钻孔；第三步，抽采管中的传感器感受到增透孔内的冲击压力降低时，通过电缆线1#传输到显示器，此时根据显示的增透空内气态压力大小及峰值，依据超声波和co2冲击状态方程，调节超声波控制器使得产生超声波与co2气波耦合，促使超声波发生器工作发出超声波，并通过电缆线2#传输到超声波换能器中释放产生与co2气态波耦合的声波，从而促进co2进一步冲击，实现二次冲击，增加裂隙长度和范围；第四步，在二次冲击作用下，利用超声波的波动效应，促进了瓦斯地的流动，此时根据显示器的参数进行瓦斯抽采，通过抽采控制器打开抽采泵，利用吸力将瓦斯通过抽采孔进入到单向导流器，带动涡轮进行转动让气体形成涡流（以便更快进行瓦斯提浓），瓦斯通过co2过滤器和杂质过滤器将co2和煤层细颗粒筛除，得到的较高纯度的瓦斯进入抽采传输管通过流量监测器进入到瓦斯收集装置内；第五步，当流量监测器监测到瓦斯量达到最低时，则证明该区域内瓦斯抽采完毕，此时可关闭超声波发生器和抽采泵，停止瓦斯抽采，回收抽采系统和致裂系统。
13.本发明具有的优点是：1.本发明针对液态co2气爆致裂时一次性爆破的特点，造成的破坏范围有限、裂缝长度小，同时高压推动致裂管向外运动产生“飞管”现象，而且大量的co2向裂隙及巷道中扩散造成co2超限的问题，以保护层开采原理为基础，利用冲击作用进行多次增透，利用煤层对co2的吸附能力大于瓦斯的原理并结合超声波的激励作用来驱替出瓦斯，同时让co2在二次冲击作用下更高效被煤层吸附，解决了煤层co2超限问题；由于co2被吸附，瓦斯则通过裂隙在超声波和腔体压力差的作用下涌出代替co2空间，此时由于本装置采用抽采管与致裂管位于一个钻孔中，即可直接抽采解析出来的瓦斯并通过提浓装置过滤多余co2和煤层颗粒等杂质，从而达到了压抽一体化的增透方法，通过边冲击解析边抽采一体化方式，利于瓦斯快速抽采也使co2吸附，进一步解决了co2超限问题，同时提出了一种新型止飞器解决了“飞管”问题；2.本发明采用压抽一体化的增透方式，大大减少了钻孔数量，采用的提浓机构提高了瓦斯的抽采浓度，同时设计的新型止飞器可以有效地减少抽采管和致裂管在高压冲击下沿轴向运动产生的“飞管”现象，而且所用装置操作简便、易于上手，同时成本低廉、更适合于钻孔煤矿井下的瓦斯增透抽采工作。
附图说明
14.图1是本发明装置的结构示意图；图2是本发明提浓抽采系统的结构示意图；图3是本发明止飞器的结构示意图；图4是本发明止飞器工作状态示意图；图中：1-底板、2-增透钻孔、3-压裂片、4-超声波换能器、5-补偿空间、6-顶板、7-提浓机构、7-1-t形风道、7-2-法兰、7-3-单向导流器、7-4-co2过滤器、7-5-可抽出式杂质过滤器、7-6-第一安装座、8-传感器、9-抽采孔、10-抽采管、11-膨胀式封孔器、12-安全绳、13-抽
采泵、14-煤层、15-煤层裂隙、16-液态co2、17-止飞器、17-1-透压板、17-2-弹簧、17-3-阻压器、17-4-固定锥体、17-5-第二安装座、17-6-法兰、18-液态co2致裂管、19-加热头、20-单向注入口、21-液态co2装载车、22-高压胶管、23-快速接头、24-瓦斯收集装置、25-显示器、26-加热控制器、27-抽采控制器、28-流量监测器、29-1-1#电缆线、29-2-2#电缆线、30-超声波控制器、31-超声波发生器、32-抽采传输管。
具体实施方式
15.如图所示，一种超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置，包括位于增透钻孔2内的液态co2致裂系统、提浓抽采系统和超声波二次冲击系统，增透钻孔位于煤层14内，煤层顶板6和增透钻孔2之间设有一条补偿空间5，补偿空间的长度大于增透钻孔的深度，增透钻孔底部设有煤层底板1；所述液态co2致裂系统包括液态co2致裂管18，位于致裂管顶部的压裂片3，通过改变压裂片可以更改压力大小，还包括位于致裂管内部的液态co216，所述致裂管端口由膨胀式封孔器11封闭，膨胀式封孔器内侧设有加热头19和单向注入口20，单向注入口可以防止逆流，单向注入口外侧通过高压胶管22和快速接头23与液态co2装载车21上的液态co2储罐出口联通，所述加热头19通过导线与加热控制器26电连；所述提浓抽采系统包括抽采管10和位于抽采管内的提浓机构7，所述抽采管顶端封闭，抽采管中部外壁上设有贯通的抽采孔9，所述提浓机构包括喇叭状单向导流器7-3，所述单向导流器大口与抽采孔9联通，所述单向导流器7-3为两个且对称设置，两个单向导流器小口分别与t形风道7-1进风口联通，t形风道出风口处设有涡轮叶片，所述抽采管内t形风道出风口处依次设有co2过滤器7-4和可抽出式杂质过滤器7-5，抽采管端部还设有抽采传输管32，所述抽采传输管32上依次设有抽采泵13、流量检测器28和瓦斯收集装置24，单向导流器进入的气体促进涡轮叶片旋转，形成漩涡流更快更方便进行提纯，co2过滤器主要为碱性溶剂，可吸附多余co2，同时许多冲击造成的煤层细颗粒可被杂质过滤器筛选，并在抽采完毕后抽出回收。所述超声波二次冲击系统包括位于抽采管顶部的超声波换能器4，所述超声波换能器4通过第一法兰7-2和第一安装座7-6固定连接，第一安装座位于抽采管顶部，抽采管内还设有传感器8，超声波换能器4和传感器8电连接，传感器通过1#电缆线29-1与显示器25连接，显示器与超声波控制器30电连接，超声波控制器与超声波发生器31连接，超声波发生器通过2#电缆线29-2与超声波换能器4连接；所述致裂管外壁和抽采管外壁均设有止飞器17，且致裂管和抽采管端口与增透钻孔之间均通过膨胀式封孔器11密封固定，所述致裂管端部还设有一根安全绳12，所述安全绳通过膨胀式封孔器压入致裂管内，安全绳可以方便收放压裂系统，膨胀式封孔器外端设有膨胀袋，里面装有聚氨酯材料，可随时控制材料的含量，在抽采作业时，通过装填聚氨酯可以起到迅速膨胀固定于抽采口中，在回收抽采管时，只需取出聚氨酯材料，封口时可添加水泥进行封口；所述止飞器17包括第二安装座17-5，第二安装座通过第二法兰17-6与致裂管外壁或抽采管外壁固定连接，第二安装座顶部设有一块与其垂直的透压板17-1，透压板底部设有一组弹簧17-2，弹簧另一端与可滑动阻压器17-3固定连接，第二安装座中下部固设有一块具有斜面的锥体17-4，可滑动阻压器为具有缺口的立方体，其缺口面贴于锥体顶部且沿着锥体斜面可滑动连接，弹簧拉动由大摩擦力制成的阻压器，压力波通过透压板对阻压器进行冲击，通过压力波冲击使得阻压器沿着锥体滑动，然后挤入钻孔中通过产生摩擦力减少轴向应力，冲击完毕后，弹簧将阻压器拉回原位便于后续回收致
裂管。
16.一种超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置的提浓方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，根据应力情况到低瓦斯低应力的煤层14，人工预先开钻一条补偿空间5，同时对煤层14进行布置增透钻孔2，将致裂管18和抽采管10置入孔中，并用膨胀式封口器11进行封口，为后续冲击做好准备；第二步，将高压胶管22通过快速接头23将单向注入口20和液态co2装载车21连接，通过液态co2装载车21向液态co2致裂管18注入液态co216，利用加热控制器26使加热头19释放大量热量，液态co216受热膨胀发生相变致裂产生气爆，造成600倍高压冲破压裂片释放到增透孔2中，大量气态co2在增透孔中产生冲击波，使得近距离范围内煤层出现裂隙15，此时止飞器17发挥作用，阻止抽采管10和致裂管18飞出钻孔；第三步，抽采管10中的传感器8感受到增透孔2内的冲击压力降低时，通过1#电缆线29-1传输到显示器25，此时根据显示的增透空内气态压力大小及峰值，依据超声波和co2冲击状态方程，调节超声波控制器30使得产生超声波与co2气波耦合，促使超声波发生器31工作发出超声波，并通过2#电缆线29-2传输到超声波换能器4中释放产生与co2气态波耦合的声波，从而促进co2进一步冲击，实现二次冲击，增加裂隙长度和范围。
17.第四步，在二次冲击作用下，利用超声波的波动效应，促进了瓦斯地的流动，此时根据显示器25的参数进行瓦斯抽采，通过抽采控制器27打开抽采泵13，利用吸力将瓦斯通过抽采孔9进入到单向导流器7-3，带动涡轮7-1进行转动让气体形成涡流（以便更快进行瓦斯提浓），瓦斯通过co2过滤器7-4和杂质过滤器7-5将co2和煤层细颗粒筛除，得到的较高纯度的瓦斯进入抽采传输管32通过流量监测器28进入到瓦斯收集装置24内。
18.第五步，当流量监测器28监测到瓦斯量达到最低时，则证明该区域内瓦斯抽采完毕，此时可关闭超声波发生器31和抽采泵13，停止瓦斯抽采，回收抽采装置和致裂装置。
19.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置，其特征在于：包括位于增透钻孔内的液态co2致裂系统、提浓抽采系统和超声波二次冲击系统，增透钻孔位于煤层内，煤层顶板和增透钻孔之间设有一条补偿空间，补偿空间的长度大于增透钻孔的深度，增透钻孔底部设有煤层底板。2.如权利要求1所述的超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置，其特征在于：所述液态co2致裂系统包括液态co2致裂管，位于致裂管顶部的压裂片，还包括位于致裂管内部的液态co2，所述致裂管端口由膨胀式封孔器封闭，膨胀式封孔器内侧设有加热头和单向注入口，单向注入口外侧通过高压胶管和快速接头与液态co2装载车上的液态co2储罐出口联通，所述加热头通过导线与加热控制器电连接。3.如权利要求1所述的超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置，其特征在于：所述提浓抽采系统包括抽采管和位于抽采管内的提浓机构，所述抽采管顶端封闭，抽采管中部外壁上设有贯通的抽采孔，所述提浓机构包括喇叭状单向导流器，所述单向导流器大口与抽采孔联通，所述单向导流器为两个且对称设置，两个单向导流器小口分别与t形风道进风口联通，t形风道出风口处设有涡轮叶片，所述抽采管内t形风道出风口处依次设有co2过滤器和可抽出式杂质过滤器，抽采管端部还设有抽采传输管，所述抽采传输管上依次设有抽采泵、流量检测器和瓦斯收集装置。4.如权利要求1所述的超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置，其特征在于：所述超声波二次冲击系统包括位于抽采管顶部的超声波换能器，所述超声波换能器通过第一法兰和第一安装座固定连接，第一安装座位于抽采管顶部，抽采管内还设有传感器，超声波换能器和传感器电连接，传感器通过1#电缆线与显示器连接，显示器与超声波控制器电连接，超声波控制器与超声波发生器连接，超声波发生器通过2#电缆线与超声波换能器连接。5.如权利要求2或3所述的超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置，其特征在于：所述致裂管外壁和抽采管外壁均设有止飞器，且致裂管和抽采管端口与增透钻孔之间均通过膨胀式封孔器密封固定。6.如权利要求5所述的超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置，其特征在于：所述止飞器包括第二安装座，第二安装座通过第二法兰与致裂管外壁或抽采管外壁固定连接，第二安装座顶部设有一块与其垂直的透压板，透压板底部设有一组弹簧，弹簧另一端与可滑动阻压器固定连接，第二安装座中下部固设有一块具有斜面的锥体，可滑动阻压器为具有缺口的立方体，其缺口面贴于锥体顶部且沿着锥体斜面可滑动连接。7.如权利要求6所述的超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置，其特征在于：所述致裂管端部还设有一根安全绳，所述安全绳通过膨胀式封孔器压入致裂管内。8.如权利要求1-7任一所述的超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置的提浓方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.根据应力情况到低瓦斯低应力的煤层，人工预先开钻一条补偿空间，同时对煤层进行布置增透钻孔，将液态co2致裂系统、提浓抽采系统和超声波二次冲击系统置入孔中，并用膨胀式封口器进行封口，为后续冲击做好准备；s2.将高压胶管通过快速接头将单向注入口和液态co2装载车连接，注入液态co2，利用加热控制器使加热头释放热量，液态co2受热膨胀发生相变致裂产生气爆，造成600倍高压冲破压裂片释放到增透孔中，气态co2在增透孔中产生冲击波使煤层出现裂隙，止飞器阻止
抽采管和致裂管飞出钻孔;s3.当抽采管中的传感器检测到增透孔内的冲击压力降低时，通过1#电缆线传输到显示器，根据显示的增透孔内气态压力大小及峰值，依据超声波和co2冲击状态方程，调节超声波控制器使得产生超声波与co2气波耦合，超声波发生器发出超声波并通过2#电缆线传输到超声波换能器中产生与co2气态波耦合的声波，促进co2进一步冲击实现二次冲击，增加裂隙长度和范围；s4.在二次冲击作用下，根据显示器的参数进行瓦斯抽采，通过抽采控制器打开抽采泵，利用吸力将瓦斯通过抽采孔进入到单向导流器，带动涡轮进行转动让气体形成涡流，瓦斯通过co2过滤器和杂质过滤器将co2将煤层细颗粒筛除，得到高纯度的瓦斯进入抽采传输管通过流量监测器进入到瓦斯收集装置内；s5.当流量监测器监测到瓦斯量达到最低时，证明该区域内瓦斯抽采完毕，此时关闭超声波发生器和抽采泵，停止瓦斯抽采，回收装置即可。

技术总结

本发明属于煤矿钻孔瓦斯抽采强化技术领域，尤其涉及一种超声波二次冲击下压抽一体化的瓦斯提浓装置及提浓方法，包括位于增透钻孔内的液态CO2致裂系统、提浓抽采系统和超声波二次冲击系统，增透钻孔位于煤层内，煤层顶板和增透钻孔之间设有一条补偿空间，补偿空间的长度大于增透钻孔的深度，增透钻孔底部设有煤层底板，本发明采用压抽一体化的增透方式，大大减少了钻孔数量，采用的提浓机构提高了瓦斯的抽采浓度，同时设计的新型止飞器可以有效地减少抽采管和致裂管在高压冲击下沿轴向运动产生的“飞管”现象，而且所用装置操作简便、易于上手，同时成本低廉、更适合于钻孔煤矿井下的瓦斯增透抽采工作。的瓦斯增透抽采工作。的瓦斯增透抽采工作。